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基于断裂力学理论的疲劳强度评估指南

2023

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目 录

第1章通则 3

一般要求 3

术语定义 3

符号 3

疲劳破坏模式 4

疲劳评估方法 4

疲劳评估装载工况 5

疲劳评估载荷工况 5

第2章疲劳评估 6

一般要求 6

评估节点 6

单一曲线模型裂纹扩展率公式 6

疲劳应力谱 6

失效评估方法 7

疲劳寿命计算 7

疲劳裂纹扩展预报流程 7

第3章初始缺陷及应力强度因子计算 10

一般要求 10

共面缺陷简化 10

典型裂纹应力强度因子计算 11

第4章等效设计波法 14

一般要求 14

疲劳应力谱 14

应力范围 14

第5章谱分析法 16

一般要求 16

水动力计算 16

有限元计算 16

疲劳应力谱 16

疲劳应力谱计算步骤 18

第6章失效评估方法 19

一般要求 19

失效评估曲线 19

疲劳裂纹扩展断裂系数 20

疲劳裂纹塑性失稳系数 20

附录1典型裂纹应力强度因子 22

埋藏椭圆裂纹应力强度因子 22

焊趾表面裂纹应力强度因子 22

第1章 通则

一般要求

本指南规定了基于断裂力学理论的船体结构疲劳强度评估方法，载荷计算一般采用等效设计波法或谱分析法，适用于中国船级社（ChinaClassificationSociety，以下简称CCS）规范或指南要求进行基于断裂力学理论的疲劳强度评估的船舶，也适用于自愿申请本章

附加标志的船舶，或CCS认为需要考虑裂纹扩展影响的船舶。

根据本指南进行疲劳强度评估并满足要求后，可取得附加标志FFM（XX，YY），其中XX为环境条件（如NA表示北大西洋，散布图见IACSRec.34），YY为设计寿命（年）。

按本指南进行疲劳强度评估的船舶，其结构设计、建造工艺和建造质量应满足

CCS《钢质海船入级规范》、《材料与焊接规范》或CCS接受的其他有关标准的要求。

术语定义

初始缺陷

指实际结构在冶炼、制造过程中产生的夹渣、气孔，加工时产生的刀痕、刻槽，焊接时产生的裂纹、未焊透、气孔、咬边、过烧、夹渣，铸件中的缩孔、疏松，以及结构在不同环境中使用时产生的应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等。缺陷类型包括中心穿透裂纹、自由边裂纹、埋藏裂纹和表面裂纹，各类型具体示意图见第3章3.3节。

疲劳应力谱

由符合分布函数要求的疲劳应力范围所组成的应力谱，其中每个数值作为节点疲劳裂纹扩展预报计算的应力范围。

等效设计波法

疲劳应力谱计算基于等效设计波法，如CCS《钢质海船入级规范》第9篇第1部分第9

章或《船体结构疲劳强度指南》中所规定的应力范围计算方法。

谱分析法

疲劳应力谱计算基于谱分析法，如CCS《基于谱分析的船体结构疲劳强度评估指南》中所规定的应力范围计算方法。

失效评估图法（FailureAssessmentDiagramMethod，简称FAD）

含平面型缺陷结构完整性评价方法，可以考虑从脆性断裂到塑性失稳所有可能的破坏模式，计算方法见第6章。

名义应力

仅考虑结构几何形状影响的在结构构件中的应力，但不考虑由于结构不连续和焊缝存在引起的应力集中。拉应力为正，压应力为负。

符号

Δσn：名义应力范围，N/mm2，引起结构疲劳的交变应力的变化范围，按下式计算：

??n??max??min

式中：σmax——名义应力循环中的代数最大值，N/mm2；

σmin——名义应力循环中的代数最小值，N/mm2。

σref：参考应力，N/mm2，失效评估图中用于评估导致发生结构塑性破坏的应力，

按第6章表6.4.1计算。

σmean：平均名义应力，N/mm2，按下式计算：

?mean

??max??min，N/mm2。

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K：应力强度因子，MPam，反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量，与裂纹类型、裂纹尺寸、结构几何尺寸以及应力大小有关，见第3章3.3节。

ΔK：应力强度因子范围，MPam，一个交变应力循环中应力强度因子的最大值

与最小值之差，见第2章2.3节。

ΔKeq0：等效应力强度因子范围，MPam，考虑载荷（应力）比影响的应力强度因子范围。

R：载荷（应力）比，指疲劳载荷（应力）循环中应力最小值与最大值的比值。

ΔKth0：应力强度因子范围的门槛值，MPam，表征裂纹扩展发生的临界点，即

大于该值时发生裂纹扩展，反之则不扩展。船体结构用钢可取为2MPam。

C：裂纹扩展率公式中的系数，取Paris公式乘数。船体结构用钢可取为

C=1.65?10-